《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：From cell to ecosystem function: Which biological levels best inform pesticide and transformation product ecotoxicity through active biomonitoring?
编辑推荐：
水生环境接收了来自农业活动的大量扩散性污染，特别是农药及其转化产物（transformation products, TPs）。在农业集水区，地下排水网络增加了农药和TPs从农业土壤向地表水的迁移。然而，农药和TPs的季节性变化（与人工排水流域的水文功能密切相
水生环境接收了来自农业活动的大量扩散性污染，特别是农药及其转化产物（transformation products, TPs）。在农业集水区，地下排水网络增加了农药和TPs从农业土壤向地表水的迁移。然而，农药和TPs的季节性变化（与人工排水流域的水文功能密切相关）的影响仍鲜有研究。本研究旨在现场评估不同生物层次（例如细胞、个体、种群和生态系统功能）在确定农药和TPs时间变异性对大型无脊椎动物（特别是钩虾（gammarids））的生态毒性方面的相关性。研究人员在两个水文季节（2022–2023年和2023–2024年）于奥热瓦尔流域（ORACLE观测站，法国东北部，塞纳-马恩省）的六个站点开展了一系列为期18-19天的主动生物监测活动，该研究区域代表集约化农业和人工排水流域。主动生物监测活动基于多参数监测（即物理化学、化学和水文）以及笼养钩虾和凋落物袋的部署。这些活动能够观察从细胞到生态系统的广泛生物响应，包括酶活性、生物学性状和凋落物分解。结果表明，农药和TPs浓度随时间显著变化，与施用期和水文状况相关。生物监测结果显示，多个生物层次（特别是个体和细胞层次）对污染物水平（尤其是TPs和农药）以及理化因素表现出高敏感性。这些结果强调了在评估农业影响水生系统中农药和TPs毒性时考虑混杂因素的重要性，以确保准确的环境风险评估。总体而言，这些多层次生物对TPs的强烈响应凸显了将其影响纳入活性化学压力分析的必要性。
本研究旨在评估不同生物层次（细胞、个体、种群和生态系统功能）在确定农药及其转化产物（transformation products, TPs）对河流非目标淡水物种（尤其是两种常见钩虾——Gammarus pulex 和 Gammarus fossarum）的生态毒性方面的相关性。研究背景为农业活动导致的农药和TPs扩散污染，特别是地下排水系统加速其转移，但农药和TPs的季节性动态及其对不同生物层次的影响尚不明确。为填补这一空白，研究人员在法国奥热瓦尔流域（ORACLE观测站）的六个站点，于两个水文季节（2022–2023年和2023–2024年）进行了18-19天的主动生物监测（active biomonitoring）活动。该流域代表集约化农业和人工排水系统。研究通过多参数监测（物理化学、化学和水文）结合笼养钩虾和凋落物袋，测量了从细胞水平（酶活性）到生态系统功能（凋落物分解）的多层次生物响应。主要结论包括：农药和TPs浓度呈现显著的季节性和空间变化（上游低、下游高），TPs在冬季排水初期达峰值；个体水平（摄食率、运动等）和细胞水平（酶活性）对污染物（特别是TPs和农药）以及理化因素（温度、溶解氧等）最为敏感，且G. pulex对化学压力（TPs、农药、硝酸盐）的响应强于G. fossarum，后者更受环境参数影响；TPs在所有生物层次上的毒性效应大于母体农药分子，表明需将其纳入风险评估；多层次生物指标能早期预警农田污染物对生物多样性的影响。论文发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。
研究人员为开展本研究使用了几个主要关键的技术方法：（1）化学监测：通过自动水样采集器（ISCO 3700）每日采集复合水样，分析585种农药和TP分子（含117种检测到的分子）以及金属、阴/阳离子、溶解有机/无机碳等；样本来自奥热瓦尔流域六个站点。（2）主动生物监测：从格兰莫兰流域两个上游低污染站点采集两种钩虾（G. pulex 和 G. fossarum）作为控制种群，标准化大小后笼养于六个站点（每笼80只钩虾），同时部署凋落物袋（18×18 cm，5 mm网孔）评估微生物和大型无脊椎动物凋落物分解。（3）多水平生物指标测量：细胞水平测量8种酶活性（β-半乳糖苷酶GAL、β-葡萄糖苷酶GLU、几丁质酶NAG等）；个体水平测量运动、摄食率、生物量及质量变化；种群水平测量抱对率和死亡率；生态系统功能测量微生物和大型无脊椎动物凋落物分解速率。（4）数据统计：使用多因子分析（multiple factor analysis, MFA）和共惯性分析（co-inertia analysis）评估生物响应与污染物及环境参数的关系。
研究结果如下：
**3.1 暴露动态**：通过比较上游E点和下游LR点的农药及TPs浓度，发现上游污染较低（0.2–2.6 μg/L），下游较高（0.7–5.7 μg/L），春季峰值与除草剂（如metolachlor、glyphosate）和杀菌剂（如fluxapyroxad）相关。TPs浓度在排水初期达峰（最高7.81 μg/L），夏季降低，表现出与母体化合物不同的季节模式，暗示TPs在土壤中积累并随排水事件释放。
**3.2 生物季节性**：主成分分析（PCA）显示细胞水平酶活性（如GAL、AChE）存在年际和年内变异，受季节影响；个体水平（摄食率、运动、生物量）呈现冬夏模式，冬季高生物量低摄食，夏季低生物量高摄食高运动，主要受温度驱动；种群水平死亡率低（平均0.41%/天），抱对率有季节波动，但不明显；生态系统功能（凋落物分解）冬季低、夏季高，与温度正相关。
**3.3 多层次生物变异性**：多因子分析（MFA）显示个体水平变异性最大，细胞水平和种群水平变异性较低，生态系统功能变异性最小，表明在18-19天监测中生态毒理学工具（细胞、个体、种群）比生态学工具（凋落物分解）更敏感。两种钩虾之间种群水平存在差异，G. pulex抱对率更低。
**3.4 控制多层次生物敏感性的因素**：共惯性分析表明，物理化学参数（尤其是温度、溶解氧）对所有生物层次都有显著影响（RV系数0.14–0.43，p<0.05）。农药和TPs对多层次生物有显著效应：TPs在G. pulex中诱发了从细胞到种群的级联效应（细胞RV=0.38, p<0.05；个体RV=0.26, p<0.001；种群RV=0.26, p<0.05），而G. fossarum仅个体水平显著（RV=0.33, p<0.001）；农药主要影响G. pulex的细胞和个体水平，以及G. fossarum的种群水平；硝酸盐在细胞和个体水平显著（RV 0.10–0.22, p<0.05）。金属和水文参数相关但不显著。总体，G. pulex更适合评估农药和TPs生态毒性，因其对化学压力更敏感。
讨论总结：本研究揭示了现场多污染条件下农药和TPs对多层次生物的显著影响，TPs效应大于母体化合物，强调了将其纳入监测的必要性。物理化学参数（温度、氧气）是重要混杂因素。种间敏感性差异与生态位相关，G. pulex更适应化学动态。研究局限性包括共惯性分析对缺失数据和冗余变量的敏感性，以及不能排除其他污染物（如药品、微塑料）的协同作用。结论部分翻译如下：本研究旨在评估多个生物层次在确定农药和TPs对河流非目标淡水物种（聚焦食碎屑大型无脊椎动物，特别是两种常见钩虾）生态毒性方面的相关性。在评估的多个生物层次中，研究结果表明个体水平特别适合识别与农药和TPs压力相关的生物变化。这些生物层次首先对农业污染物（如TPs、硝酸盐和农药）敏感，其次对环境混杂参数（温度、氧气）敏感。在细胞水平，评估农药和TPs的生态毒性被证明是相关过程（变异性低于个体水平），尽管该水平对物理化学参数高度敏感。在现场多污染背景下，分离单一化合物（如农药、金属）的具体影响仍比实验室实验更具挑战性。尽管如此，研究强调了G. fossarum与G. pulex在农药、TPs和环境因素响应敏感性和变异性方面的明显种间差异。连续两个水文季节的主动生物监测准确捕捉了农药的季节性动态——夏季转移较低，水文季节开始时转移较高。在符合其生态需求的现场条件下，G. pulex成为评估农药及TPs相关效应（如atrazine DEA、metolachlor OXA和ESA、S-metolachlor NOA、metazachlor ESA）的更合适指示物种，有利于适应并检测对多胁迫因子的生物响应。总体而言，本研究为在现场多污染场景下结合钩虾多个生物层次提供了新见解，使得对农药和TPs影响（包括季节性动态）的更全面评估成为可能。TPs在所有生物层次上的影响似乎大于农药。通过比较两种钩虾物种，研究首次证明了种间生物标志物敏感性和响应变异性在农药和TPs现场暴露下的差异。实施跨两个水文季节的连续生物监测是一种有前景但耗时的途径，然而它能够更好地理解水文事件期间农药和TPs的转移动态。此外，整合细胞水平和生态系统功能可以显著改善当前对农药和TPs的生态毒理学评估，这些评估在真实环境条件下仍研究不足。未来研究应优先探索与颗粒组分（尤其是沉积物）相关的农药和TPs影响，因为底栖大型无脊椎动物栖息于水-沉积物界面，从而通过多种途径暴露。
